فایل ورد کامل مقاله ویژگی‌های پرتو ایکس در پرتوشناسی؛ تحلیل علمی کاربردها و اثرات فیزیکی در تصویربرداری

توجه : به همراه فایل word این محصول فایل پاورپوینت (PowerPoint) و اسلاید های آن به صورت هدیه ارائه خواهد شد

 فایل ورد کامل مقاله ویژگی‌های پرتو ایکس در پرتوشناسی؛ تحلیل علمی کاربردها و اثرات فیزیکی در تصویربرداری دارای ۶۷ صفحه می باشد و دارای تنظیمات در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است

فایل ورد فایل ورد کامل مقاله ویژگی‌های پرتو ایکس در پرتوشناسی؛ تحلیل علمی کاربردها و اثرات فیزیکی در تصویربرداری  کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه  و مراکز دولتی می باشد.

توجه : در صورت  مشاهده  بهم ریختگی احتمالی در متون زیر ،دلیل ان کپی کردن این مطالب از داخل فایل ورد می باشد و در فایل اصلی فایل ورد کامل مقاله ویژگی‌های پرتو ایکس در پرتوشناسی؛ تحلیل علمی کاربردها و اثرات فیزیکی در تصویربرداری،به هیچ وجه بهم ریختگی وجود ندارد

---

بخشی از متن فایل ورد کامل مقاله ویژگی‌های پرتو ایکس در پرتوشناسی؛ تحلیل علمی کاربردها و اثرات فیزیکی در تصویربرداری :

مقدمه

پرتوهای X در سال ۱۸۹۵ ، به وسیله ی رونتگن فیزیکدان آلمانی کشف شد و از آنجا که ماهیت آنها در آن زمان ناشناخته بود ، بدین نام خوانده شدند . این پرتوها برخلاف نور معمولی نامرئی هستند اما مسیر مستقیمی را می پیماند و فیلم عکاسی را مانند نور مرئی متأثر می کنند . از سوی دیگر ، از نور با نفوذتر بوده و به آسانی از بدن انسان ، چوب ، قطعات نسبتاً ضخیم فلزی ، و دیگر اشیاء کدر عبور می کنند .

 

برای استفاده از هر وسیله ای همواره به شناخت کامل آن نیاز نیست ، به این دلیل تقریباً بی درنگ فیزیک دانها و چندی بعد مهندسان علاقه مند به مطالعه ساختار درونی اجسام کدر ، پرتوهای X را بکار گرفتند . با قرار دادن لامپ پرتو X در یک سوی جسم و فیلم عکاسی در سوی دیگر ، می توان تصویری سایه مانند و یا پرتونگار به دست آورد، بخشهایی از جسم با چگالی کمتر ، نسبت به بخشهایی با چگالی بیشتر مقدار بیشتری از تابش X را عبور می دهند . بدین وسیله نقطه ی شکست در استخوانی شکسته و یا محل ترکی در یک فلز قالب گیری شده مشخص می شود.

 

بدین ترتیب پرتونگاری بدون آگاهی دقیق از تابش بکار برده شده ، آغاز شد ، زیرا ماهیت کامل پرتوهای X تا سال ۱۹۱۲ ، مشخص نبود ،‌ در این سال ، پدیده ی پراش پرتو X در بلوها کشف شد ، و همزمان با این کشف ، ماهیت موجی پرتوهای X به اثبات رسد از این رو روش جدیدی برای بررسی ریز ساختار ماده نیز فراهم شد . هر چند پرتونگاری در این نوع خود وسیله بسیار مهمی است و از زمینه ی کاربردی گسترده ای برخوردار است ، اما معمولاً توان تفکیک آن برای آشکارسازی جزئیات درونی ، تا مرتبه  محدود می شود . از سوی دیگر ، پراش می تواند به طور غیر مستقیم جزئیات ساختار درونی را تا اندازه ی آشکار کند ، و در این کتاب به این پدیده، و کاربردهای آن در مسائل متالورژیکی پرداخته می شود . در اینجا پرتوهای X و ساختار دورنی بلورها در دو فصل اول به عنوان پیش نیازهای لازم برای بحث پراش پرتوهای X در بلوها که به دنبال خواهد آمد ، توصیف شده است.

 

تابش الکترومغناطیس

امروزه می دانیم که پرتوهای X ، تابش الکترومغناطیسی با ماهیتی کاملاً همانند نور مرعی ،‌‌ اما با طول موجی بسیار کوتاهتر از آن هستند ،‌ واحد اندازه گیری در ناحیه پرتو X آنگسترم برابر با  است و پرتوهای X بکار رفته در پراش ، تقریباً طول موجهایی در گستره ی ۵/۰ تا ۵/۲ دارند ، در حالی که طول موج نور مرئی در محدوده ۶۰۰۰ است . بدین ترتیب پرتوهای X ،‌ ناحیه ای میان پرتوهای گاما و فرابنفش را در طیف کامل الکترومغناطیسی اشغال می کنند.

گاهی در اندازه گیری طول موج پرتو X از واحدهای دیگری مانند واحد X ، (XU) ،‌ و کیلو ‌X (KX=1000XU) استفاده می کنند . واحد KX ،‌‏ اندکی از آنگسترم بزرگتر است که منشا آن در بخش ۳ ـ ۴ توصیف می شود . واحد پذیرفته شده ی SI برای طول موج در ناحیه ی پرتو X ، نانومتر است:

 

نامومتر

اما این واحد رایج نشده است.

 

طیف پیوسته

هنگامی پرتوهای X ایجاد می شوند که شتاب هر ذره ی باردار الکتریکی با انرژی جنبشی کافی، بسرعت کند شود ، معمولاً برای چنین منظوری از الکترونها استفاده می شود. این تابش در یک لامپ پرتو X با منبعی از الکترونها و دو الکترود فلزی ، تولید می شود . ولتاژ زیادی که به میزان چند ده هزار ولت در دو سر الکترود وجود دارد موجب گسیل الکترونها به سوی آندو یا هدف می شود و در آنجا الکترونها با سرعت زیاد به هدف برخورد می کنند . پرتوهای X در نقطه ی برخورد تولید شده و در تمام جهات منتشر می شوند. اگر e بار الکترون ( ^۱۹-۱۰×۶/۱ کولمب ) و V ولتاژ دو سر الکترودها باشد ، در این صورت انرژی جنبشی ( بر حسب ژول ) الکترونها هنگام برخورد از معادله ی زیر به دست می آید.

( ۳ ـ ۱ )                                           

که در آن m جرم الکترون ( kg ^۳۱- ۱۰×۱۱/۹ ) و V سرعت آن بر حسب متر بر ثانیه درست پیش از برخورد است . در لامپی با ولتاژ ۳۰۰۰۰ ولت ، این سرعت نزدیک به سرعت نور است . بیشتر انرژی جنبشی الکترونهایی که به هدف برخورد می کنند به حرارت تبدیل شده و کمتر از یک درصد از این انرژی به پرتوهای X تبدیل می شود.

هنگامی پرتوهای خارج شده از هدف ، مورد واکاوی قرار گیرند ، آشکار می شود که مجموعه ای از طول موجهای گوناگون هستند ، و تغییرات شدت با طول موج ، به ولتاژ لامپ بستگی دارد .

 

شدت تا طول موج ویژه ای صفر است که به آن حد طول موج کوتاه می گویند، سپس بسرعت تا بیشینه ای افزایش می یابد و آنگاه بدون هیچ مرز مشخصی در ناحیه ی طول موجهای بلند کاهش می یابد . هنگام افزایش ولتاژ لامپ ، شدت تمام طول موجها افزایش یافته و مرز طول موج کوتاه و مکان بیشینه به سوی طول موجهای کوتاهتر
تغییر مکان می دهد .

 

تابشی با این منحنی ها نشان اده شده را تابش چند رنگ ،‌ پیوسته ، و یا سفید گویند ، زیرا مانند نور سفید از پرتوهایی با طول موجهای گوناگوی ساخته شده است . تابش سفید را تابش ترمزی نیز گویند که واژه ای آلمانی است ، زیرا از شتاب کاهش یافته ای الکترونها ناشی می شود.

 

طیف پیوسته ، از کند شدن سریع الکترونهای برخورد کننده به هدف ناشی می شود ، زیرا همانگونه که در بالا گفته شد ، هر بار کند شونده ، انرژی آزاد می کنند . در هر صورت ، تمام الکترونها به یک صروت کند نمی شوند ، برخی در یک برخورد متوقف شده و تمام انرژی خود را یکباره از دست می دهند ، در حالی که دیگر الکترونها به وسیله ی اتمهای هدف به این سو و آن سو منحرف شده ، و به دنبال آن ، بخشهایی از انرژی جنبشی خود را بتدریج از دست می دهند تا تمام آن مصرف شود . الکترونهایی که در یک برخورد متوقف شده و به فوتونهالی با بیشینه یا انرژی ، یعنی به پرتوهای X با کمینه ی طول موج ، تبدیل می شوند . این الکترونها ، تمام انرژی eV خود را به انرژی فوتونی تبدیل کرده و می توان نوشت:

 

متر

این معادله حد طول موج کوتاه ( بر حسب آنگسترم ) را بر حسب تابعی از ولتاژ بکار برده شده V ارائه می دهد . اگر الکترونی به طور کامل در یک برخورد متوقف نشده بلکه فقط جزئی از سرعت آن بر اثر برخوردهای جنبی کاهش یابد، فقط کسری از انرژی eV آن به صورت تابش منتشر می شود . او انرژی فوتون ایجاد شده کمتر از است . بر اساس حرکت موجی ، پرتو X مربوطه دارای بسامدی کمتر از و طول موجی بلندتر از خواهد بود.مجموعه ی این طول موجها طیف پیوسته را تشکیل می دهند که در گستره ای که از به بالا قرار می گیرد.

 

هنگام افزایش ولتاژ بکار برده شده به نقطه ی بالاتر و سمت چپ آشکار می شود ، زیرا تعداد فوتونهای تولید شده در ثانیه و انرژی میانگین هر فوتون ، افزایش می یابند . همه انرژی پرتو X منتشر شده در هر ثانیه که با مساحت زیر یکی از منحنی ها متناسب است و نیز به عدد اتمی Z هدف و جریان I لامپ ، یعنی تعداد الکترونهای برخورد کننده به هدف در ثانیه ، بستگی دارد . این شدت کل پرتوX ، از رابطه ی زیر به دست می آید.

 

( ۵ ـ ۱ )                                    = طیف پیوسته

که درآن A ثابت تناسب و m ثابتی با مقداری نزدیک ۲ است . بنابراین در جایی که به مقادیر زیاد تابش سفید نیاز است ،‌ بایسته است برای هدف از فلز سنگینی مانند تنگستن ( ۷۴ = Z ) و ولتاژی هر چه بالاتر استفاده کرد. توجه کنید که جنس هدف بر شدت اثر می گذارد. اما توزیع طیف پیوسته را تغییر نمی دهد.

 

طیف ویژه

هنگامی ولتاژ لامپ پرتو X از یک مقدار مشخص بحرانی فراتر بود . پیشینه های باریکی که ویژگی فلز هدف است در برخی از طول موجها بر روی طیف پیوسته پدیدار می شوند . از آنجا که این بیشینه ها باریک بوده و طول موج آنها از ویژگی جنس فلز هدف بکار برده می باشد، به آنها خطوط ویژه می گویند . این خطوط به چند مجموع به نامهای L,K و M و مانن دآنها بر حسب افزیش طول موج رده بندی می شوند . تمام این خطوط ،‌ طیف پیوسته فلز بکار برده شده به عنوان هدف را تشکیل می دهند . برای یک هدف مولیبدنی ،‌ خطوط K طول موجهایی نزدیک به ۷/۰ ، خطوط L نزدیک به ۵ ، و خطوط M طول موجهای بلندتر به آسانی جذب می شوند . در مجموعه K چندین خط وجود دارد ، اما در کارهای معمولی پراش فقط شدیدترین سه خط این مجموعه عبارت است از و برای مولیبدن طول موجهای آنها تقریباً برابر هستند با:

۷۰۹/۰ :

۷۱۴/۰ :

۶۳۲/۰ :

طول موج مؤلفه های آنقدر به یکدیگر نزدیکند که همواره به عنوان یک خط در نظر گرفته می شوند ، در صورت جدا شدن Ka دوتایی ، و در غیر اینصورت ، فقط خط Ka خوانده می شود.

 

همچنین معمولاً به صورت خط ،‌ با حذف زیر نویس ۱ نمایش داده می شود . شدت همواره نزدیک به ۲ برابر است ، در حالیکه نسبت شدت به به عدد اتمی هدف بستگی داشته ، اما میانگین این نبت نزدیک به است.

 

از آنجا که ولتاژ بحرانی برانگیختگی ، یعنی ولتاژ لازم برای انگیختن تابش ویژه K برای مولیبدن KV 01/20 است، افزایشی در ولتاژ بالاتر از این ولتاژ بحرانی شدت خطوط ویژه را نسبت به طیف پیوسته افزایش می دهد ، اما طول موج آنها را تغییر نمی دهد. افزایش ولتاژ ، طیف پیوسته را به طول موجهای کوتاهتر تغییر مکان داده و نیز شدت خطوط K را نسبت به طیف پیوسته افزایش داده ،‌ اما طول موج آنها را تغییر نداده است.

 

شدت هر خط ویژه که در بالای طیف پیوسته اندازه گیری می شود ، هم به جریان I لامپ و هم به مقدار اختلاف ولتاژ بکار برده شده v مازاد بر ولتاژ بحرانی برانگیختگی آن خط بستگی دارد. برای یک خط K ، شدت تقریباً برابر است با :

 

( ۶ ـ ۱ )                                   

که در آن B ثابت تناسب ،‌‌ ولتاژ برانگیختگی k ، و n ثابتی است با مقدار تقریبی ۵/۱ . ( در حقیقت n یک ثابت واقعی نیست ، بکله به V بستگی داشته و از ۱ تا ۲ تغییر می کند. ) شدت یک خط ویژه می تواند نسبتاً بزرگ باشد: برای مثال ، در تابشی ناشی از یک هدف مسی که با kV 30 عمل می کند ، شدت خط Ka تقریباً ۹۰ بار بیشتر از شدت طول موجهای همجوار نزدیک با آن در طیف پیوسته است . افزون بر شدت ، خطوط ویژه همچنین بسیار باریک هستند ، و اغلب آنها پهنایی کمتر از ۰۰۱/۰ دارند که در نیمی از شدت بیشینه ی آنها اندازه گیری شده است . وجود این خط تیز و پرشدت Ka است که تا اندازه زیادی پراش پرتو X را فراهم می کند زیرا در بسیاری از آزمایشهای پراش ، به تابش تکفام و یا تقریباً تکفام نیاز است.

 

خطوط ویژه پرتوX به وسیله ی دبلیو . اچ . براگ کشف شد و اچ . جی . موزلی آن را تنظیم کرد . موزلی ، دریافت که طول موج هر خط ویژه هنگامی کاهش می یابد که عدد اتمی گسیلینده زیاد شود . او بویژه رابطه ای خطی ( قانون موزلی ) میان ریشه ی دوم بسامد خط V و عدد اتمی Z به دست آورد.

خطوط دوتایی تفکیک شده Ka در سمت راست بر روی مقیاس بزرگ شده طول موج تمایش داده شده است.

( ۷ ـ ۱ )‌                                            

که در آن C و ثابت است . دومین خط ، قویترین خط در سری L است . این منحنی ها به طور ضمنی نشان می دهند که خطوط L همواره دارای طول موجهای بلند نیستند : برای مثال ، خط فلزی سنگین مانند تنگستن ، نزدیک به طول موج خط مس ،‌ یعنی ۵/۱ است.

طول موج خطوط ویژه ی پرتو X تقریباً برای تمام عناصر شناخته شده ،‌ عمدتاً از سوی ام . سیگبان و دستیاران او اندازه گیری شده ، و جدولی از این طول موجها باری قویترین خطوط سری K و L در پیوست ۷ یافت می شود . داده های مربوط به خطوط ضعیف تر را می توان در جلد چهارم جدولهای بین المللی بلورشناسی پرتو به دست آورد.

 

در حالی که طیف پیوسته در اثر کاهش سریع شناب الکترونها ،‌ از فلز هدف ناشی می شود، منشأ طیف ویژه در اتمهای سازنده ی ماده ی هدف نهفته است . برای درک این پدیده ، کافی است اتمی را با هسته ای مرکزی در نظر بگیرید که پیرامون آن را الکترونها در پوسته های گوناگون فرا گرفته اند و نشانه های M,L,K در رابطه با عدد کوانتومی …….، ۳ ، ۲ ، ۱ = n هستند . اگر یکی از الکترونهایی که هدف را بمباران می کنند ، از انرژی جنبشی کافی برخوردار باشد، می تواند الکترونی را از پوسته K خارج کرده و اتم را در یک حالت برانگیخته با انرژی بالاتر قرار دهد.

بی درنگ یکی از الکترونهای بیرونی تر در مکان خالی پوسته K قرار می گیرد، و در آن فرآیند با گسیل انرژی ، اتم را دوباره به حالت عادی انرژی خود بر می گرداند . انرژی سیل شده ،‌ به صورت تابشی با طول موج معین است که در واقع تابش ویژه K خواهد بود.
 

مکام خالی پوسته K ممکن است با الکترونی از هر یک از پوسته های بیرونی تر پر شود، بدین ترتیب به رشته ای از خطوط K برای مثال خطوط Ka و ، منجر شود که به ترتیب ناشی از پرشدن مکان خالی پوسته با الکترونی از پوسته های L و یا M خواهد بود. مکان خالی لایه K را ممکن است از پوسته L و یا از پوسته M پر کرده، به گونه ای که یکی از اتمهای هدف می تواند . تابش Ka و اتم مجاور با آن تابش شدیدتر است . همچنین نتیجه می شود که نمی توان یک خط K را بدون برانگیختن تمام خطوط دیگر برانگیخته کرد. خطوط ویژه، به همین روش تولید می شوند : الکترونی از پوسته ی L به بیرون پرتاب شده و مکان خالی با الکترونی از پوسته ی بیرونی تر پر می شود.

 

اکنون دلیل ضرورت وجود ولتاژ بحرانی برانگیختگی برای تابش ویژه آشکار می شود. برای مثال ، تابش K نمی تواند برانگیخته شود مگر آنکه ولتاژ لامپ به گونه ا ی باشد که انرژی الکترونهای بمباران کننده برای خارج کردن یک الکترون از پوسته K اتم هدف . بسنده باشد اگر کار لازم برای خارج کردن یک الکترون K باشد ، در این صورت انرژی جنبشی لازم برای الکترونها از رابطه ی زیر به دست می آید:

( ۸ ـ ۱ )                                            

انرژی لازم ، برای خارج کردن یک الکترون L کمتر از یک الکترون K است ، زیرا
اولی دورتر از هسته قرار دارد . بنابراین برانگیختگی L از ولتاژ برانگیختگی K کمتر است و وجود تابش ویژه ی K بدون وجود تابش های L و M و مانند آنها امکان پذیر نیست.

 

جذب

درک بیشتر از انتقالهای الکترونی که در اتمها رخ می دهد را نه تنها از تأثیر متقابل الکترونها و اتمها ، بلکه از تأثیر متقابل پرتوهای X و اتمها نیز می توان دریافت . هنگامی پرتوهای « وارد هر نوع ماده ای شوند ،‌ بخشی از آنها عبور و بخشی جذب می شود. آزمایش نشان می دهد که کاهش کسری در شدت I باریکه پرتو x هنگام عبور از ماده ی همگن ، با فاصله ی پیموده شده X متناسب است . به صورت دیفرانسیلی :

( ۹ ـ ۱ )                                   

که در آن ثابت تناسب ، ضرب جذب خطی خوانده می شود و به ماده ی مورد مطالعه ،‌ چگالی آن ، و طول موج پرتوهای X بستگی دارد. انتگرالگیری از معادله ی
( ۹-۱ ) می دهد:

( ۱۰-۱ )                                            

که در آن شدت باریکه فرودی پرتوی x و شدت باریکه عبوری پس از گذشتن از ضخامت x است .

ضریب جذب خطی متناسب با چگالی است ،‌ و بدان معنی است که کمیت برای یک ماده ثابت بوده و مستقل از حالت فیزیکی آن ( جامد ، مایع ، گاز ) است . این کمیت را ضریب جذب جرمی گفته و کمیتی است که معمولاً به صورت جدول ارائه می شود . در این صورت معادله ی ( ۱۰-۱ ) را می توان به صورت مؤثرتری به گونه ی زیر نوشت:

( ۱۱ ـ ۱ )                            

     

مقادیر ضریب جذب جرمی در پیوست ۸ بر ای طول موجهای ویژه ی گوناگونی ارائه شده است که در پراش بکار می رود.

گاهی لازم است ضریب جذب جرمی ماده ای ، بیش از یک عنصر را بدانیم ، اگر ماده مخلوطی مکانیکی ، محلول و یا ترکیب شیمیایی ، و یا به صورت حالت جامد ، مایع و یا گاز باشد ،‌ ضریب جذب جرمی آن بسادگی میانگین توزین شده ی ضرایب جذب جرمی عناصر سازنده ی آن است اگر و مانند ‌آنها ، کسرهای وزنی عناصر ۱ و ۲ و مانند آنها در ماده ،‌ و و مانند آنها ، ضرایب جذب جرمی آنها باشد ، در این صورت ضریب جذب جرمی ماده از رابطه ی زیر به دست می آید:

( ۱۲ ـ ۱ )                         

                

روشی که در آن ضریب جذب با طول موج تغییر می کند ، نشانه ای از بر همکنش پرتوهای X با اتمها است . این تغییرات برای تمام مواد یکسان است . این منحنی از دو شاخه ی همانند تشکیل یافته که با ناپیوستگی تیزی به نام لبه ی جذب جدا شده است.

( ۱۳ ـ ۱ )                                         

که در آن k ثابت ، و برای هر شاخه از این منحنی مقدار متفاوتی دراد ، و Z عدد اتمی جذب کننده است . بنابراین پرتوهای X با طول موج کوتاه نفوذ پذیری بسیار زیادی دارند و سخت نامیده می شوند ، در حالی که پرتوهای x با طول موج بلند به آسانی جذب شده و به آنها نرم گفته می شود.

 

ماده ، پرتوهایX را به دو صورت متفاوت جذب می کند ، یک به وسیله ی پراکندگی و دیگری از راه جذب واقعی که این دو فرآیند با هم تشکیل جذب کل را می دهند و با کمیت اندازه گیری می شود . پراکندگی پرتوهای x از بسیاری جنبه ها همانند پراکندگی نور مرئی از ذرات گردوغبار در هوا است . پراکندگی در تمام جهت ها انجام می شود ، و از آنجا که انرژی موجود در باریکه های پراکنده شده ، در باریکه های عبوری پدیدار نمی شود، باریکه ی عبوری پرتوهای X را می توان جذب شده خواند پدیده ی پراکندگی در فصل چهارم با جزئیات بیشتری بحث خواهد شد ، کافی است در اینجا توجه کنیم بجز برای عناصر بسیار سبک ، این پدیده فقط کسر کوچکی از جذب کل را تشکیل می دهد . جذب کل را تشکیل می دهد . جذب واقعی از انتقالهای الکترونی درون اتم ایجاد می شود و از دیدگاه نظریه ی کوانتومی تابشی بهتر است مورد بررسی قرار گیرد . درست همانگونه که الکترونی با انرژی کافی می تواند یک الکترونی k را برای مثال ، از یک اتم خارج کند و باعث گسیل تابش ویژه K شود ، یک کوانتوم فرودی از پرتوهای X نیز به شرط آن که از همان مقدار کمینه ی انرژی برخوردار باشد ، توانایی چنین فرایندی را خواهد داشت . در این حالت ، الکترون خارج شده را فوتون الکترون و تابش ویژه ایجاد شده را تابش فلورسانت می نامند . تابش فلورسانت در تمام جهت ها و دقیقاً با همان طول موج تابش ویژه ناشی از بمباران الکترونی هدف فلزی انجام می شود . ( عملاً ، یک اتم ،‌ همان تابش k را بدن در نظر گرفتن چگونگی بوجود آمدن مکان خالی پوسته ی K در آغاز ،‌ گسیل می کند). این پدیده این پدپده همانند پرتو X است که از اثر فوتوالکتریک در ناحیه ی فرابنفش طیف ایجاد می شود ، در آنجا ، فوتوالکترونها می توان از پوسته های خارجی تر اتم فلز با تابش فرابنفش پرتاب شوند ، البته این شرط که طول موج آنها کمتر از مقدار معین بحرانی باشد.